Особенности конструкции и эксплуатации криогенных насосов

Действие криогенных насосов основано на физических явлениях, происходящих при низких температурах.

В зависимости от физико-химических процессов, заложенных в принцип работы криогенных насосов, различают следующие их разновидности (рис. 27.2).

Криоконденсационные насосы работают на принципе конденсации откачиваемых газов на металлических поверхностях насоса, охлажденных до температуры порядка —250°С.

Криоадсорбционные насосы работают на принципе адсорбции газов на твердых охлажденных адсорбентах, нанесенных на криопанель (в качестве сорбентов наиболее часто используют активированный уголь, цеолиты, силикагели, оксидные пленки металлов). Физическая поверхность адсорбентов на много порядков превышает геометрическую поверхность криопанели, достигая значений 10⁷ см²/г.

Конденсационн о-a дсорбционные насосы работают на принципе адсорбции газов на слое предварительно сконденсированного вспомогательного легкоконденсируемого газа (в качестве вспомогательного газа используют пары воды, спирта, ацетона, диоксид углерода; аргон, азот и др., в этом случае вакуумную камеру с криоповерхностью предварительно откачивают до возможно более низкого давления и после отсоединения насоса от камеры охлаждают криопанель и вводят в камеру вспомогательный газ для образования на криоповерхносги конденсата).

Криогеттерные насосы работают на принципе поглощения газов пленками геттера, осаждаемого на криопанель насоса (происходит физическое и химическое связывание газов на поверхности и в объеме непрерывно наносимой на криопанель пленкой титана). Криогеттерные насосы имеют удельную сорбционную емкость примерно в 3 раза большую, чем обычные геттерные насосы, работающие при нормальной температуре. Кроме того, при криогенной откачке (в отличие от откачки геттерно-ионными и электроразрядными насосами) не синтезируются и не выделяются посторонние газы, например метан, и происходит снижение равновесного давления легкокон-денсируемых газов. Для работы насосов этого типа достаточна температура —200°С.

Принципиальная конструктивная схема любого крионасоса содержит следующие конструктивные элементы (рис. 27.3): криопанель, теплозащитный экран, охлаждающее устройство, корпус.

Криопанель — откачивающий элемент насоса, представляющий собой поверхность (в виде диска, цилиндра, змеевика), охлажденную до криогенных температур. Во время работы крионасоса на охлажденной поверхности криопанели происходит постоянное выделение теплоты конденсации, связанное с переходом газа в конденсированное (связанное) состояние. Поэтому для эффективной откачки необходим постоянный отвод теплоты конденсации и поддержание температуры криопанели на предельно низком уровне.

Теплозащитный экран охлаждается до температуры, промежуточной между температурами стенки корпуса и криопанели. Теплозащитный экран поглощает и отводит на себя тепловую энергию, излучаемую с теплых поверхностей насоса, и предохраняет криопанель от нагрева излучением.

Охлаждающее устройство служит для предварительного охлаждения криопанели от нормальной температуры до рабочей, а также для компенсации тепловых На основании требований, предъявляемых к вакуу-мной обработке, рассчитывают оптимальную вакуумную систему: подбирают тип насосов, ловушек, геометрию трубопроводов, составляют принципиальную вакуумную схему. Прямоточная вакуумная система, которая обеспечивает получение разрежения до 5 • 10~⁵ Па, показана на рис. 27.4, а. Механический насос i создает в системе предварительное разрежение 10 ¹ Па. Форвакуум необходим для предотвращения окисления паров масла диффузионного насоса и снижения противодавления на выходном патрубке диффузионного насоса 3, служащего для создания в системе высокого вакуума. Ловушка 4, заполняемая жидким азотом, служит для вымораживания паров масла и паров воды. Датчики 5 предназначены для измерения давления в приборе 6 (они всегда размещаются выше ловушки 4). Ловушка 2 предотвращает проникновение паров масла механического насоса в диффузионный.